Le voyage dans le temps est un des grands thèmes de la science-fiction, au point d’être considéré comme un genre à part entière. L’idée d’aller revivre le passé ou de découvrir à l’avance le futur est un rêve humain causé par le fait que l’être humain avance dans le temps de manière permanente, mais irréversible (et, à l’état de veille, apparemment de façon linéaire).

La première mention d’un voyage dans le temps serait le personnage de Merlin l’Enchanteur dans le cycle arthurien des Chevaliers de la table ronde, qui visitait les temps passés. Les Celtes croyaient en la possibilité de voyager dans le temps et dans un monde parallèle, à partir des tombes, des tertres ou de certains lieux. Mais la problématique du voyage dans le temps est assez liée à celle de l’oracle, qui existait déjà chez les Grecs et pouvait entraîner les mêmes paradoxes.

Les physiciens et les philosophes, tout autant que les auteurs de science-fiction, s’intéressent au voyage dans le temps, aux effets théoriques des voyages à la vitesse de la lumière et aux paradoxes logiques qui naîtraient d’un voyage dans le temps.

Problèmes que poserait un tel voyage
Violation des principes physiques
Par essence, le voyage dans le temps entraîne la violation de la plupart des principes de conservation connus (si l’on considère l’univers comme un système isolé) : masse, énergie, charge, etc.

Par exemple, imaginons que vous soyez dans une machine à remonter le temps et qu'un témoin vous observe : vous l'utilisez pour revenir dans le passé, et la seconde suivante le témoin constate que la masse constituant la machine, ainsi que ses passagers, a disparu. Et comme elle est actuellement censée être dans le passé, on en déduit qu'elle a disparu de l'univers à cet instant précis, ce qui viole le principe de conservation de la masse.

Ces problèmes sont résolus dans l'hypothèse des univers parallèles. La conservation se fait à l'échelle du multivers.

Les paradoxes temporels
Les paradoxes temporels sont des situations autocontradictoires (paradoxe du grand-père: que se passerait-t-il si j’essayais de revenir dans le passé et que je tuais mon grand-père ? - exemple dû au romancier René Barjavel en 1943 dans Le voyageur imprudent) ou au contraire sans cause extérieure à eux-mêmes (paradoxe de l'écrivain) rendues possibles par le voyage dans le temps. En science-fiction, on les résout soit en postulant que l'univers de départ du voyageur est différent de celui d'arrivée, soit en donnant aux voyageurs la responsabilité d'éviter de telles situations, ou encore en postulant que l'histoire est figée, ce qui impose de maintenir une histoire globale cohérente.

Objection religieuse
Dans les religions monothéistes, Dieu est considéré comme omniscient et omnipotent. Ceci implique deux questions :

Dieu fixe-t-il une destinée pour le monde ou pour les hommes ?
Peut-on modifier le futur, contrecarre-t-on alors le dessein de Dieu ? L'homme a-t-il un libre arbitre ou est-il soumis à un déterminisme (voir karma) ?
Descartes a tranché de cette manière : Dieu lui-même ne peut faire que ce qui a été n'a pas été, autrement dit changer le passé. A fortiori, l'homme ne peut interférer avec le passé.

De plus, pour Dieu, modifier le passé reviendrait à renier l'action (ou la décision de ne pas agir) qu'il a lui-même entreprise à l'époque, donc à se renier lui-même. Or, un être omniscient ne peut accomplir d'acte qu'il aurait à regretter.

Se rencontrer soi-même
Se rencontrer soi-même en voyageant dans le temps est une possiilité théorique (si le voyage dans le sens rétrograde est possible) qui n'est pas un paradoxe en soi. Cependant plusieurs auteurs ont souligné l'aspect déroutant que cela aurait pour les personnages, et aussi à quel point une telle situation est fascinante. Ainsi dans La Fin de l'éternité, un des membres du conseil est fasciné par cette problématique. Dans Harry Potter et le prisonnier d'Azkaban, on apprend que de nombreux voyageurs temporels se sont tués eux-mêmes.

Conjugaison
Le Guide du voyageur galactique, de Douglas Adams, souligne que conjuguer correctement un verbe décrivant un voyage dans le temps est un problème bien pire que les paradoxes temporels. Par exemple, quand on vient de faire un saut dans le passé, il faut disposer d'un temps grammatical décrivant un événement à venir dans le temps de l'univers, déjà réalisé dans son temps propre. Dans l'univers d'Adams, de nombreux temps ont été inventés pour palier à ce problème.

En général, les auteurs font prendre des tournures comiques à leurs personnages pour souligner l'absurdité des situations. Rencontrant son équivalent du futur, Hiro Nakamura dit « Je ne veux pas me parler, je me fait peur. »

Voyage dans le sens direct
Il est à noter que la relativité restreinte d’Albert Einstein (et, par extension, la relativité générale) autorise explicitement certaines dilatations du temps, ce qui ressemble à un « voyage dans le temps ». Par exemple un voyageur se déplaçant dans l'espace à une vitesse proche de celle de la lumière (par rapport à la Terre) pourrait revenir des années après son départ dans le calendrier terrestre après un voyage qui n'aura duré que quelques jours pour lui.

Cependant, cet effet permet le « voyage dans le temps » seulement accéléré vers le futur. Et cela dit, même sans mouvement, nous voyageons déjà de toute façon du passé vers le futur.

Voyage dans le sens rétrograde
Le voyage rétrograde dans le temps semble a priori hautement improbable. Toute théorie qui permettrait des voyages vers le passé devrait résoudre les questions de violation de causalité.

Les travaux théoriques
Par ailleurs, en l’absence d’indices de voyage dans le temps, il n’est pas indispensable de supposer son existence. Stephen Hawking a suggéré que l’absence de touristes venant du futur constitue un argument solide contre l’existence du voyage temporel - variante du paradoxe de Fermi, les voyageurs temporels remplaçant les visiteurs extra-terrestres. Cet argument est affaibli par l'idée que certaines portes temporelles pourraient être construites, mais ne conduiraient pas le voyageur à une date antérieure à la création de la porte. Sauf à supposer qu'il existe dans l'univers des portes naturelles.

Mais Hawking pense que si les lois actuelles de la physique n'interdisent pas le voyage rétrograde, il doit être possible d'en trouver une : il a énoncé un tel principe sous le nom de conjecture de protection chronologique. Hawking explique ce principe par analogie avec la thermodynamique : le premier principe n'interdisait pas de fabriquer un réfrigérateur qui fournirait de l'énergie électrique ; c'est la seconde loi de la thermodynamique qui prononce une telle interdiction.

Expérimentations
Certaines expériences réalisées au cours des dix dernières années donnent chacune l'impression d'un effet rétrograde mais sont interprétées de manière différente par la communauté scientifique.

Voici quelques exemples :
L'expérience de Marlan Scully (qui est inspirée du paradoxe EPR et nécessite l'utilisation de fentes de Young) laisse supposer qu'à l'échelle quantique une particule dans le futur déterminera son passé. Cela met simplement en exergue les difficultés de qualifier la notion de temps à l'échelle quantique, mais en aucun cas cette expérience ne constitue une violation de la causalité.

L'expérience de Lijun Wang a permis d'envoyer des paquets d'ondes à travers une ampoule de césium à cX310 avec pour effet une sortie du paquet d'ondes 62 nanosecondes avant son entrée. Mais cela est simplement dû à un effet d'ultra-réfraction et ces paquets d'ondes n'étant pas des objets constitués de particules bien définies, ils ne peuvent transporter ni énergie ni information du futur vers le passé, donc, là non plus, pas de violation de la causalité.

Enfin, le programme effet STL expérimenté à l'heure actuelle par le docteur Ronald Mallett a pour but très officiel d'observer une violation de la causalité par le biais d'un neutron à travers un cristal photonique ralentissant la lumière. Le neutron réapparaîtrait dans le dispositif avant d'être désintégré. Le rapport est sorti en novembre 2006 et bénéficie du soutien de plusieurs universités des États-Unis. Mais même si cette expérience marche à l'échelle quantique, à la manière de l'expérience de Marlan Scully, on peut s'attendre à une décohérence à l'échelle macroscopique. Donc, là encore, à part à l'échelle quantique, on ne peut toujours pas parler de violation de la causalité pour l'heure.

Hypothèses de dispositifs permettant le voyage
Équivalence du voyage supraluminique et d’un voyage temporel rétrograde
Le principe de relativité d’Einstein consiste à dire que les lois de la physique sont les mêmes quel que soit le repère depuis lequel on les observe.

En conséquence, si dans un repère galiléen un signal se déplaçait plus vite que la lumière pour déclencher une action à distance, il existerait des repères où cela apparaîtrait comme une violation de la causalité, pourtant admise en relativité. Par exemple, si on peut détruire un objet avec une arme à projectiles supraluminiques, dans un certain référentiel l'objet est détruit avant qu'on appuie sur la gâchette.

Il ne s’ensuit pas exactement que le phénomène soit impossible (après tout, ce principe n’est lui-même qu’une hypothèse), mais si le cas s’observait, il faudrait réviser la relativité restreinte, ou admettre que le voyage rétrograde est possible. Certaines expériences récentes proposent l'existence d'une vitesse supraluminique, mais le consensus actuel admet l'existence de la vitesse limite.

En effet, certains phénomènes relevant de la physique quantique vont peut-être exiger de nouvelles définitions de ces concepts : le paradoxe EPR par exemple.

Univers de Gödel
Kurt Gödel a démontré que dans un univers en rotation et sans expansion, la relativité générale indique qu'un long voyage spatial peut conduire à revenir au point de départ à une date antérieure à celle du départ. Le résultat troubla Albert Einstein, qui n'imaginait pas que la relativité générale laisse la porte entrouverte à la possibilité de remonter le temps (la relativité restreinte l'interdisait). On sait par observation que l'univers ne vérifie pas les critères de Gödel (des physiciens considèrent même que parce qu'il autorise le voyage dans le temps, cet univers ne pourrait pas exister) mais Gödel a ouvert la voie à la recherche d'un moyen de remonter le temps grâce aux théories d'Einstein.

Trous noirs et trous de ver
La relativité générale indique qu’il existerait des configurations dans lesquelles deux trous noirs sont reliés l’un à l’autre. Une telle configuration est habituellement appelée trou de ver ou plus rarement pont d’Einstein-Rosen. De telles configurations ont beaucoup inspiré les auteurs de science-fiction car proposant un moyen de voyager très rapidement sur des grandes distances, voire voyager dans le temps. En pratique, des telles configurations, si elles sont autorisées par la relativité générale, semblent totalement irréalisables dans un contexte astrophysique où elles ne présentent de ce fait aucun intérêt majeur.

La science-fiction prend ici le relais pour décrire un avenir où l’homme saura créer des boucles temporelles et maîtriser les coordonnées d’arrivées. Cela ne contredit pas l'argument de Stephen Hawking selon lequel le voyage temporel ne se fera pas car on aurait alors eu des visites de nos descendants: une boucle temporelle ne permettrait de remonter dans le temps que jusqu’à sa création, autrement dit, créée en 2300 et utilisée en 3000, elle ne permettrait de revenir qu’en l’an 2300 et pas avant.

Le dispositif de Tipler
Frank Tipler a proposé un montage qui autoriserait le voyage rétrograde dans le temps. Cependant le dispositif met en jeu de telles énergies qu'on peut douter de la possibilité, même théorique, de le fabriquer et surtout de le stabiliser.

Le rêve et le voyage dans le temps
L'ingénieur J.W. Dunne a soutenu dans An Experiment with Time (1927), que le rêve permettait de voyager virtuellement dans le temps : "Est-il possible que les rêves, les rêves en général, tous les rêves, les rêves de tout le monde, soient composés d'images provenant d'expériences passées et d'images d'expériences à venir, mélangées en proportions plus ou moins égales ?" Il a basé cette théorie sur une étude de ses propres rêves, dont certains furent prémonitoires : prémonition de l'éruption de la montagne Pelée, à la Martinique ou encore prémonition de l'accident du train postal Londres-Edimbourg.

J.R.R. Tolkien s'est inspiré de cette thèse dans certains de ses romans inachevés : The Lost Road, et The Notion Club Papers (publiés respectivement dans les vol. 5 et 9 de The History of Middle-earth). Une étude du rapport entre la théorie de Dunne et les textes de Tolkien est présentée dans V. Flieger, A Question of Time (1997).

Le voyage rétrograde de David Deutsch
Il est censé selon son auteur ne pas violer la causalité : il s'agit d'une application du principe de Turing via un générateur de réalité virtuelle (un immense calculateur quantique) qui permettrait à un observateur d'avoir une interactivité avec un passé parallèle au nôtre (donc différent du nôtre… mais identique en tout point !). L'interactivité avec ce passé parallèle ne produirait pas de paradoxe temporel. Physiquement possible selon son auteur, ce type de voyage reste pour l'heure du domaine de la spéculation.

Dans la science-fiction
En raison des risques de changement des événements passés, le genre du voyage dans le temps rejoint l’uchronie dans certaines œuvres. Le steampunk, projetant le futur dans un XIXe siècle décalé, relève aussi du voyage dans le temps, mais conçu avec un retour en arrière, alors que l'uchronie est une déviation.

Conséquences des modifications du passé
Les auteurs traditionnels de science fiction (Isaac Asimov dans La Fin de l'Éternité et Poul Anderson dans La Patrouille du temps) considèrent non seulement qu'une modification faible du passé aura peu de conséquences sur les siècles suivants, mais aussi que plus on s'éloigne de l'événement modifié, plus les conséquences s'estompent. Au contraire, les auteurs récents (surtout écrivant pour les enfants) insistent souvent sur l'effet papillon qui rend selon eux extrêmement périlleux pour l'humanité toute entière tout voyage vers des périodes très reculées de l'histoire de la Terre (Chris Archer dans Haute tension ou K. A. Applegate dans Animorphs, ou la nouvelle "Il y eut un coup de tonnerre" de Ray Bradbury).

D'autres auteurs permettent à leurs personnages de voyager dans le temps tout en leur rendant impossible de changer le passé. C'est le cas de H. G. Wells dans La Machine à explorer le temps, et c'est aussi une solution pour résoudre les paradoxes.